【正文】 ys Vector May 1994 P2 [33] Rogers， Charies Automating Relay Coordination IEEE Transaction on Power Delivery 1994 P2225 [34] ， Thermal Analysis of Motor Winding Electric Machives And Electromechanics Volume 6 1987 [35]孫涵芳 .MCS51系列單片機(jī)原理及應(yīng)用 北京航空航天大學(xué)出版社 [36]趙依軍等 .單片微機(jī)接口技術(shù) 人民郵電出版社 第 31 頁 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明 本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果?；厥淄?，難忘老師們的諄諄教導(dǎo)和同學(xué)們的熱心幫助，點(diǎn)點(diǎn)滴滴都令我終生銘記在心。 原來的學(xué)習(xí)也只是在書本中的知識(shí)，沒有運(yùn)用到實(shí)踐中，因此，在本次設(shè)計(jì)中走了很 多彎路，通過本次設(shè)計(jì)，使我學(xué)習(xí)到了任何把課堂里和書本上學(xué)到的東西如何靈活運(yùn) 用到實(shí)踐中，同時(shí)也學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)的 第 29 頁 基本思想方法以及工作的流程。 當(dāng)改變本實(shí)驗(yàn)的輸入電壓與電流，與軟件的整定值的 配合下可以實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)。同時(shí)，在電流輸入回路中，為了得到恒定的電流波形的提升，特加入 3V 的穩(wěn)壓二極管。第二個(gè)部位是輸出系統(tǒng)，使各輸出信號(hào)混亂，不能真實(shí)地反應(yīng)單片機(jī) 系統(tǒng)的輸出，從而導(dǎo)致接觸器或斷路器的誤動(dòng)作以及顯示內(nèi)容的錯(cuò)誤。 本系統(tǒng)中的電源需求為：驅(qū)動(dòng)電路中的光耦一路獨(dú)立電源（＋ 15V），同時(shí)，控制電路也需要四組工作電源（＋ 15V，－ 15V，＋ 5V），單片機(jī)最小系統(tǒng)需要一路工作電源（＋ 5V），顯示部分需要一路工作電源（＋ 5V），因此，輔助電源應(yīng)該能提供至少五組相互獨(dú)立的電源，直流電源的質(zhì)量好壞與系統(tǒng)能否正常工作有很大的聯(lián)系。同時(shí)為了省去硬件的負(fù)擔(dān)，采用以軟件為主的接口方式，它是以軟件查表代替硬件譯碼器，電路圖如下。 本設(shè)計(jì)采用三極管 9013 驅(qū)動(dòng)繼電器工作，利用三極管的開關(guān)特性來達(dá)到無接觸無火花的控制開啟的目的，同時(shí)達(dá)到強(qiáng)電隔離的效果。 圖 38 互感器出來的電壓波形 經(jīng) 電路整形和處理，得到的是一個(gè)整流后的全波電壓，其圖形如下 第 22 頁 圖 39 A/D 口輸入的電壓波形 電流信號(hào)采樣 由于電流信號(hào)采樣采用交流采樣，故電流采集采用交流信號(hào)采集，將電流信號(hào)的幅值和相位 一起采集，可采集到電流的整個(gè)波形。 圖 37 是一種以全波線形整流為基礎(chǔ)的平均值 ACDC 轉(zhuǎn)換器。裝置通過對(duì)這 3 路模擬量進(jìn)行一系列采樣、濾波以及模數(shù)變換操作后，再對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，從而獲得各種保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。 圖 32 8051F020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 a) 單片機(jī)主要特點(diǎn) 模擬外設(shè) 12 位逐次逼近型（ SAR） ADO，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大 100ksps，輸入電壓信號(hào)范圍： 0～ 2。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 微處理器應(yīng)根據(jù)所要完成的數(shù)據(jù)處理工作的復(fù)雜程度來選擇。而且啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù)只針對(duì)與電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程加以保護(hù)，如果電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)后，此保護(hù)應(yīng)該自動(dòng)退出，而且只要電動(dòng)機(jī)不停，此保護(hù)應(yīng)一直不能進(jìn)入保護(hù)。 ?? (218) 按上式公式整定的 39。 ，長(zhǎng)延時(shí)t2。 第 15 頁 本電動(dòng)機(jī)定子繞組單相接地故障時(shí)，本電動(dòng)機(jī)零序電流保護(hù)應(yīng)可靠地動(dòng)作。因此在檢 測(cè)到電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)動(dòng)作，防止燒毀。 電流速斷保護(hù)原理及其整定值 在過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超過 ~ 時(shí)，應(yīng)裝設(shè)瞬動(dòng)的電流速斷保護(hù)裝置。非接地不對(duì)稱故障，主要包括斷相 、 相間短路 、 匝間短路及不平衡運(yùn)行等，這類故障由于我國(guó)電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不接地，故定子電流無零序分量，所以就可以采用檢測(cè)負(fù)序分量為判斷依據(jù)?？紤]到電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的線電流不平衡，本裝置以最大線電流不超過最小線電流的 倍為動(dòng)作值，這樣，無論電動(dòng)機(jī)以何種方式連接，只要發(fā)生斷相，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)都會(huì)準(zhǔn)確地動(dòng)作，而且，對(duì)于其它的非斷相的相不平衡故障，也能實(shí)施保護(hù)。最明顯的特征是電動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)負(fù)序分量和零序分量電流。其故障原理與堵轉(zhuǎn)相同。這種故障通常采用定時(shí)限保護(hù)。2111139。2)()( xxsrrUI???? (28) 將式（ 2－ 8）代入式（ 2－ 7），同時(shí)考慮 ??1 pf12?，于是有 ])()[(2 239。21239。21.mIII ?? (22) )( 39。 圖 2－ 1 異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路 其中等效電路中元件 1r 為定子繞組的電阻， 1x 為定子繞組的漏電抗， 39。引起電動(dòng)機(jī)繞組損壞的常見故障可分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，其故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。堵轉(zhuǎn)和起動(dòng)超時(shí)保護(hù)是通過撥碼開關(guān)設(shè)置起動(dòng)電流和起動(dòng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。這是電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展 第 4 頁 趨勢(shì)。熱繼電器的動(dòng)作特性還受環(huán)境溫度的影響。 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和動(dòng)向 電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)大致可劃分為三代。電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)必須正確無誤地保護(hù)電動(dòng) 第 3 頁 機(jī)，使電動(dòng)機(jī)在允許的熱極限負(fù)載范圍內(nèi)工作，減少電動(dòng)機(jī)損壞事故的發(fā)生。并根據(jù)需要確定了保護(hù)方案，論述了保護(hù)原理。作為一種智能化的解決方案，該系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)功能多，經(jīng)濟(jì)成本低，高的可靠性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。在一些大型的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，還要求對(duì)電動(dòng)機(jī)組進(jìn)行集中控制和狀態(tài)監(jiān)控。它的每一種功能都需要相應(yīng)的繼電器來實(shí)現(xiàn)。 第二代的電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)對(duì)第一代的電磁式繼電保護(hù)系統(tǒng)有了很大的改進(jìn)。 本文主要的工作 本課題的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控。 對(duì)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)以下功能： (1)電流顯示，顯示電動(dòng)機(jī)當(dāng)前線電流有效值 ； (2)電壓顯示，顯示電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的相電壓有效值。 (3) 因機(jī)械故障造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。其它不出現(xiàn)顯著過流的不對(duì)稱故障，如斷相、不平衡運(yùn)行等，過流保護(hù)常常不能及時(shí)動(dòng)作。 mr 為定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的等效電阻， mx 為勵(lì)磁電抗。239。 由式（ 2－ 5）和式（ 2－ 6）得： srImpT emem39。22111xxsrrsrUfpmTem???? ? (29) 剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子 n=0， 轉(zhuǎn)差率 s=1，此時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： ])()[(2 239。2111..jxxrxxjxrUIImm?????? (212) 第 8 頁 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)故障 異步電動(dòng)機(jī)投入電網(wǎng)，從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，升速并達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程，稱為啟動(dòng)過程。 就異步電機(jī)而言，堵轉(zhuǎn)就意 味著轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差率 S=1，即在 T 形等效電路圖中的附加電阻為0 的狀態(tài)。 不平衡的三相電壓或電流，按對(duì)稱分量法，可分解為正序分量、負(fù)序分量、和零序分量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以 Y 形連接時(shí)，斷相可能發(fā)生在引線上或者繞組內(nèi)部，電動(dòng)機(jī) Y 型連接時(shí)所斷相的線電流都為零，此時(shí)以線電流為零的原則可以加以保護(hù)。 故障綜合判定 綜上所述電動(dòng)機(jī)的保護(hù)可以分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障。根據(jù)這一結(jié)論，可將電動(dòng)機(jī)的保護(hù)分解為過電流保護(hù) 、 斷相保護(hù) 、 零序電流保護(hù)三個(gè)部分，由此可覆蓋電動(dòng)機(jī)所有常見故障類型。其工作邏輯原理圖如下： 圖 27 電流速斷保護(hù)邏輯原理圖 第 13 頁 圖中： S3— 電流速斷保護(hù)軟件投切開關(guān)， 1；保護(hù)投入， 0：保護(hù)退出； d3— 電流速斷保護(hù)動(dòng)作定值； t3— 時(shí)間繼電器 ,0~50000 可調(diào) 。其保護(hù)動(dòng)作方程如下： 222 ??InIs (215) 式中： In 為電動(dòng)機(jī)額定電流 S 為電動(dòng)機(jī)發(fā)熱時(shí)間常數(shù) ，表示電動(dòng)機(jī)的過載能力 過載保護(hù)一般都采用反時(shí)限來計(jì)算保護(hù)時(shí)間，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電流超過整定值時(shí)，過載保護(hù)投入，開始利用反時(shí)限公式計(jì)算時(shí)間，一旦故障時(shí)間超過了計(jì)算時(shí)間 t 之后，則動(dòng)作與出口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的 第 14 頁 保護(hù)。定子繞組或引出線不對(duì)稱相間短路、定子繞組閘間短路、電源電壓嚴(yán)重不平衡等的保護(hù)。用戶可根據(jù)上述算法確定 dzI .239。 啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)保護(hù) 正常啟動(dòng)過程結(jié)束后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流低于額定值或者在額定值附近，而啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)則是在啟動(dòng)時(shí)間過后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流仍保持較大值 (一般為機(jī)械原因 )。有一相低于保護(hù)定值 時(shí)，低電壓保護(hù)經(jīng)延時(shí)后動(dòng)作發(fā)跳閘命令 ； 當(dāng)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中斷開，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，可使電動(dòng)機(jī)隨時(shí)重新啟動(dòng)。該處 理器內(nèi)部資源豐富，僅需要少量的外部控制電路即可完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。尤其要注意跳線 J303。采用平均值A(chǔ)CDC 轉(zhuǎn)換器對(duì)交流電壓進(jìn)行有 效值測(cè)量的方法是：先測(cè)出交流信號(hào)的平均值，然后再根據(jù)波形因數(shù)換算出對(duì)應(yīng)的有效值。 在半波整流器之前有一級(jí)高輸入阻抗的阻抗放大器 A1，它的作用是提高輸入阻抗和擴(kuò)大測(cè)量范圍。放大器 A1 的作用是形成一個(gè)電壓跟隨器，其作用是提高輸入阻抗。 10KLED1D11N4007K1RelaySPSTVCC+5VJ11 2U?A74AC04SCQ? 圖 313 繼電輸出電路 第 25 頁 人機(jī)接口 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路主要是用來顯示測(cè)量電壓和測(cè)量電壓。因?yàn)槭枪碴枠O LED，所以位驅(qū)動(dòng)采用 5V 電壓高位控制 。 通訊 由于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)處理能力有限，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性要求較高，故單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)只能暫時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，至于大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和后續(xù)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理可交給上位機(jī)完成，由于大型機(jī)具有 RS485 標(biāo)準(zhǔn)串行口，所以通過 MCS51F020 單片機(jī) TTL 電平全雙工串行口，附加 RS485 電平轉(zhuǎn)換電路 MAX3232 可與上位 機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信 。為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，本設(shè)計(jì)特設(shè)計(jì)硬件抗干擾措施。 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 第 5 章 結(jié) 論 通過我們的努力，這部以 C8051F020 單片機(jī)為控制核心，完成了對(duì)電流電壓的采集，并初步實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的結(jié)果。 在電路板焊接的時(shí)候，布線沒有考慮抗干擾，也沒有在電源部分加 EMC，且各級(jí)輸入的去耦設(shè)計(jì)也不好，因此系統(tǒng)抗干擾能力較差。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有很多可敬的老師、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意。大恩不敢言謝，只祝你們永遠(yuǎn)健康快樂。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）授權(quán)使用說明 本論文（設(shè)計(jì)）作者完全了解 **學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計(jì)）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計(jì)）的電子版和紙質(zhì)版